CC BY
33
ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 259 Ш5
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРСТЕРИТОВОИ КЕРАМИКИ С МЕЛКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ
П. Г. УСОВ, В. И. ВЕРЕЩАГИН, Н. К. ГЛУШКОВА
(Представлена научным семинаром неорганических кафедр)
Форстеритовая керамика является одним из раюпространенны х ib (настоящее время высокочастотных диэлектриков. Основной кристаллической фазой 'керамики (является артосиликат маши я (iMg2Si04), который не 'подвержен (полиморфным (превращениям. Форстерит устойчив ¡к высоким * температурам и восстановительной среде, плавится без (разложения, (разлагается соляной кислотой, выделяя кршнекисло-ту ib виде студня [1]. В табл. 1 приведены типичные физические свойства форстерита как керамического диэлектрика [1]. Фор стер итовые материалы не поддаются электрическому старению. КТР форстерита ПО—10,5) -10~6 град-1 хорошо совпадает с КТР титана (9—9,5)-•10~6град~1, что и ишользуетоя при создании изделий с крепким спаем металл—керамика [2]. Но стойкость форстеритовой керамики к термическим ударам, теплопроводность, механическая прочность недостаточны для создания надежных спаев с жесткими 'металлическими конструкциями.
Встала задача: изыскать возможности повышения термической стойкости и прочности форстеритовой керамики в сочетании с высокими электрическими характеристиками.
Термостойкость зависит от многих факторов, она возрастает с увеличением теплопроводности и механической прочности [2]. А последняя сильно зависит от структуры материала и его пористости '[3]. Мелкозернистая керамика обладает большей прочностью, чем крупнозернистая, при одном и том же фразовом составе [3].
Итак, одним из наиболее вероятных путей улучшения термостойкости и механической прочности форстеритовой керамики является получение мелкозернистой кристаллической фазы форстерита и минимально необходимого количества стеклофазы с большой вязкостью и улучшенными 'характеристиками. Стеклоф^аза применяемой керамики имеет барий-алюмосиликатный состав. 'Была поставлена задача исследовать 'Процессы образования форстерита с мелкозернистой структурой 'черепка из талька, продуктов талька и окиси маши я.
При обжиге происходит сначала разложение талька («870—960°С), затем образование метасиликата магния (MgSiOs), затем в присутствии расчетного количества MgO происходит связывание свободного кремнезема в метасиликат и образование ф9рстерита из метасиликата мапния [2]. Следовательно, если получить метасиликат магния при обжиге талька в тонкокристаллическом состоянии, то, возможно, образование форстерита из него пойдет в пределах того же размера зерен. От-
Таблица (
Свойства
Единицы измерения Значение величины
Плотность Водопоглощение Безопасная температура Коэф. линейного расширения Теплопроводность Прочность на разрыв Прочность на сжатие Прочность на изгиб Прочность на ударный изгиб Модуль упругости Стойкость к тепловому удару
г/смг
%
°С
2,7—2,9 0,0 1000 10—10,5
(20—700°) С-Ю-5 кал/см4 сек ° С кГ ¡см2 • 102
0,005—0,01
6—7 40—70 13—14 0,4—0,5 0,9—1,0
»
кГ • см кГ/см106
плохая
сюда следует, что нужно -направить ¡кристаллизацию Л^ЭЮз при об-Ж'иге талька на достижение однородной тонкозернистой структуры, воздействуя :на процесс небольшими добавками определенных элементов. Известно, что добавка элементов второй группы периодической системы Д. И. Менделеева в количестве 0,7—1,0% (ВаО, ЭгО, ВеО) способствует образованию мелкокристаллического метасиликата магния [4].
Но получающийся далее форстерит (начиная с 1000° С и выше) очень подвержен рекристаллизации.
Необходимо создать условия, при (которых образование форстерита по »всей макзсе при повышении температуры не сопровождалось бы ростом кристаллов. С этой целью вводились .добавки элементов, вернее, их окислов, способствующих увеличению вязкости стеклофазы. Вводили до 1% 2г02. Готовилось несколько шихт, и проводились исследования.
Петрографический анализ показал, что у ¡всех образцов из шихт с добавками 0,7% 5гО и 1% 7л02 -черепок имеет равномерную структуру. Кристаллическая фаза— форстерит, размер ¡кристаллов ¡около 1 микрона в широком интервале температур (от 1200 до 1300°С). Стекло в виде пленок по кристаллам. У образцов из шихт без добавок структура ■неаколыко неравномерна, минимальный размер ¡кристаллов 1—2 лик при температуре 1280—1300°С. У всех образцов, начиная с 1300° С, происходит рост кристаллов.
Рентгеновский анализ показал, что образование форстерита из шихт с добавками и без добавок начинается уже при температуре 1000° С, только для первых имеем 'больше характерных максимумов форстерита и интенсивность их несколько выше. При повышении температуры до 1200—1300°С присутствуют все характерные 'максимумы форстерита (¿=2,753, <¿=2,250, ¿=1,74). Причем интенсивность их для шихт с добавками выше [б].
На основании результатов этих исследований были приготовлены керамические массы (компонентный состав которых представлен в табл. 2), а также эталонные массы на алгуйском и онотском тальках.
Шихты измельчали до прохождения через сито № 0060 (10000 отв/см2), (гранулировали массы, определяли оптимальную температуру обжига на пятачках* При этой температуре во всех массах минимальные размеры кристаллов форстерита и 'вся кристаллическая фаза образцов представлены форстеритом (петрографические и рентгеновские исследования). Обжигали гранулы, измельчали их сухим помолом с олеиновой (кислотой и прессовали образцы с добавкой в качестве пластичной связки 11,2% парафина и 0,5% воска. Затем утильный обжиг в засыпке до 960°С и окончательный обжи.г до 1350°С, так как только при этой температуре получается плотно спекшийся ¡черепок.
Таблица 2
Компонентный состав
Тальк алгуйский |(онотский) обожженный с 0,7% $гО ДО температуры 1350°
54,30 33,60 7,75 4,35 1,00
МёО ВаСОз
Бентонит 1г02
Испытания изделий показали, что наиболее благоприятная структура в изделиях на основе алгуйского талька с добавками модификатора (ЭгО) и стабилизатора (¿г02), чем в изделиях из талька без добавок; средний размер 'Кристаллов 5—6 мк; стеклофаза составляет 10— 12% для алгуйского талька и 20—15% для онотского. Изделия, изготовленные из массы (с добавками) на алгуйском тальке, не уступают по свойствам изделиям, изготовленным на онотском тальке, а в некоторых случаях превосходят их: они 'более термостойки, имеют более высокое объемное сопротивление, низкий тангенс угла диэлектрических потерь, обладают стабильной усадкой.
Для достижения лучших результатов необходимо снизить темпе-ратуру окончательного обжига изделия до 1300° С, ибо до этой температуры имеем минимальные размеры форстеритовых зерен.
1. Диэлектрики и их применение. Госэнергоиздат, 1959.
2. В. Л. Б а л к е в ич. Техническая керамика. М., 1968.
3. П. А. Ребйндер, И. С. Л и п м а н. Исследование в области поверхностных явлений. ОНТИ, 1936,
4. У. Д. К и н г е р и. Введение в керамику. М., 1967.,
• 5. В. И. Михеев. Рентгенометрический определитель минералов. Госгеолтехиздат, 1957,
4 Заказ № 5581
ЛИТЕРАТУРА
